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Muros delgados: Concreto reforzado, riesgo construido

Luego de más de cuatro años de estudios sobre el comportamiento sísmico en edificios de muros delgados de concreto reforzado en el país, la Red Colombiana de Investigación en Ingeniería Sísmica advierte de algunas flaquezas en las prácticas de concepción, diseño y construcción de este sistema y propone cambios en el código de construcción nacional.

Durante la madrugada del 27 de febrero de 2010, uno de los mayores terremotos de la historia sacudió a Chile, con una magnitud de momento (Mw) de 8,8. El sismo de cuatro minutos dejó, además de una terrible pérdida humana, destrozos en cerca de 500 000 viviendas y dos millones de damnificados. El 22 de febrero de 2011, al mediodía, un terremoto de 6,3 grados sacudió la Isla Sur de Nueva Zelanda; la ciudad más afectada fue Christchurch, ubicada a 10 kilómetros del epicentro del sismo que causó daño severo en edificios altos.

El análisis posterior en ambos siniestros, así como las observaciones en ensayos de laboratorio, demuestran que la construcción de edificaciones con muros delgados y esbeltos de concreto reforzado —uno de los elementos estructurales más utilizados en los sistemas de resistencia de carga lateral—, puede derivar en daños significativos en sismos de intensidad intermedia o alta.
En las últimas dos décadas este sistema de muros ha sido uno de los más utilizados en Colombia por su rapidez de implementación y menores costos de construcción. Su diseño se basa, en parte, en los requerimientos del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10), cuyo componente de diseño de muros en concreto es una adaptación del código ACI 318-08, ampliamente utilizado en Estados Unidos y el mundo.

En la práctica, muchas partes de su diseño y construcción no cumplen con la normativa sismorresistente, como lo advierte la Red Colombiana de Investigación en Ingeniería Sísmica, CEER (por sus siglas en inglés), fundada por ingenieros sísmicos de la Universidad del Norte, la Escuela de Ingeniería de Antioquia, la Universidad de Medellín y la Universidad Militar Nueva Granada. De hecho, la práctica constructiva del país difiere de la práctica de edificaciones de muros de concreto reforzado para los que fue concebido el código y “no es posible establecer con claridad la aplicabilidad de las recomendaciones del ACI para las edificaciones con muros delgados”.

“Aunque en Colombia el nivel de amenaza sísmica en las principales ciudades es menor a la de Chile y Nueva Zelanda, en la práctica constructiva se tiende a utilizar muros de un espesor significativamente menor al de las construcciones en dichos países, en algunos casos, con la intención de optimizar los costos de construcción”, argumenta Carlos Alberto Arteta, profesor del departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Uninorte y presidente cofundador del CEER.

autor muros
Carlos Arteta, presidente cofundador del CEER y docente de Ingeniería Civil de Uninorte.

“La base de datos nos permitió tipificar los edificios y, a partir de ahí, concebir siete experimentos de laboratorio representativos de las zonas que se dañarían de las estructuras y los ensayamos en la Universidad EIA en Medellín. Tenemos una buena base estadística para conocer su geometría y comportamiento esperado”, agrega Arteta, magíster y doctor en Ingeniería Sísmica de la Universidad de California en Berkeley.

Conocimiento limitado del sistema
Los sismos son una de las catástrofes naturales que más pérdidas materiales y humanas generan en el mundo. El Lloyd’s City Risk Index (índice de riesgo que analiza el impacto potencial de las principales amenazas en la producción económica de 301 ciudades del mudo) estima que cerca de US$ 95 350 millones le costaría a la economía latinoamericana las pérdidas por terremotosa entre 2015 y 2025.

Pese a que varios países han actualizado sus normas de construcción, incluido Colombia, en pro de reducir la vulnerabilidad de los edificios, faltan controles adecuados. En 1997, el Gobierno colombiano adoptó la ley 400 para regular construcciones sismorresistentes. Un año después emitió el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-98), cuya última actualización se hizo en 2010 (NSR-10). Este documento tipifica los sistemas competentes de resistencia de cargas laterales permitidos, entre ellos el de muros de concreto reforzado, pero no específicamente el de delgados.

El CEER señala que la eficacia de algunas de las disposiciones del NSR-10 para el diseño de este sistema aún no han sido comprobadas, principalmente, por dos razones: “existen pocos ensayos sobre muros delgados y esbeltos de concreto reforzado con las características de construcción del país; y el inventario de edificaciones de este tipo de sistema no ha sido expuesto a un evento sísmico con intensidad alta del movimiento del suelo”.

En el terremoto del Eje Cafetero (1999), por ejemplo, el inventario de estructuras de concreto reforzado de varios pisos correspondía esencialmente a marcos con muros interiores de mampostería no reforzada, es decir, era casi nulo el catálogo de edificaciones con este sistema. Los daños sufridos en este temblor, junto con la introducción de las disposiciones de las normas colombianas de diseño y construcción sismorresistente, fueron el principal impulso de la construcción de edificaciones con sistemas estructurales de muros de concreto reforzado en el país.

Por José Luis Rodríguez R.
Periodista
rodriguezjl@uninorte.edu.co

No es posible establecer con claridad la aplicabilidad de las recomendaciones del ACI para las edificaciones con muros delgados".

Prueba de laboratorio de la capacidad de ductililidad de una malla electrosoldada de alambre de acero, empleada en la construcción de edificaciones.
Existen pocos ensayos sobre muros delgados y esbeltos de concreto reforzado con las características de construcción del país.
El inventario de edificaciones con este tipo de sistema no ha sido expuesto a eventos sísmicos con intensidad alta del movimiento del suelo.
El estudio del uso de la malla electrosoldada también ha demostrado propiciar una pequeña capacidad de rotación de los muros.
Preparación de un montaje experimental en un muro delgado de 100 mm de espesor, al que se le aplicó un protocolo de carga lateral para simular la acción sísmica.

Revisión de la tendencia y la norma
Las edificaciones de muros delgados y esbeltos de concreto reforzado se usan masivamente en Colombia, principalmente en viviendas para estratos bajos y medios, y algunas veces en altos. Este sistema estructural ha demostrado buen desempeño sismorresistente en edificaciones de baja altura de hasta 3 pisos. Ofrece ventajas al constructor por su economía de acabados y velocidad de construcción y permite controlar los desplazamientos inducidos por las aceleraciones fuertes del terreno.

Pero las tendencias del mercado, que exigen hoy diseños que maximicen el espacio útil de la edificación y reduzcan la cantidad de material utilizado, han dado como resultado una extrapolación del comportamiento de edificaciones de baja altura con muros delgados para construir otras de mayor altura y con espesores de muros cada vez menores que varían, por lo general, entre 8 cm a 15 cm. En algunos casos, estas prácticas de construcción resultan en elementos significativamente esbeltos, cuyo comportamiento no se ha verificado completamente en un laboratorio o en el campo durante un terremoto.

Arteta es enfático al afirmar que un vacío del NSR-10 es que no establece límites mínimos de espesores de muros, lo cual puede propiciar muros esbeltos con espesor de 8 cm que algunos ingenieros conciban muros esbeltos.

“El tema de los muros delgados requiere mayor investigación. El nuevo código chileno recoge todos los problemas sísmicos que han tenido. En Nueva Zelanda y en Perú también tienen un nuevo código, pero acá se sabe de antemano que estos edificios presentan algún riesgo y tenemos un problema grave: usan la excusa de que la norma no ha cambiado y siguen diseñando con conceptos que realmente están hoy revaluados”, afirma Germán Pardo Albarracín, presidente de la Sociedad Colombiana de Ingenieros (SCI).

Desde el colapso de la Torre 6 del edificio Space, ocurrida en octubre de 2013 en Medellín, donde perdieron la vida 12 personas, se promovió un cambio en las normas que dieron origen a la Ley 1796 de 2016, cuya reglamentación se hizo efectiva a partir de julio 1 de 2017 y que, como elemento de seguridad, promovió importantes cambios, algunos de los cuales se implementarán en 2021 según lo dispuesto en el Decreto 922 de 2019.

Dada la falta de celeridad y alcance en la expedición de normas, desde 2013 la SCI empezó a promover foros, comunicados, congresos y seminarios que alertan sobre la urgencia de hacer la verificación de edificios altos y de ajustar aún más las normas al respecto.

“Los códigos establecen los valores mínimos, pero son los profesionales (el promotor, el diseñador, el constructor y el supervisor) quienes deben aprovechar el conocimiento científico para garantizar los principios fundamentales de seguridad de la comunidad. Que no solo cumplan con una norma antigua, sino que ya saben que las normas han ido cambiando y deben minimizar las mal llamadas ‘hiperoptimizaciones”, enfatiza Pardo, quien cuenta con más de 35 años de experiencia en la planeación, gerencia, construcción y mantenimiento de obras de ingeniería.

Apertura de una grieta cerca de la interfaz muro-cimiento, producto de la acción sísmica simulada en un muro delgado, durante una prueba de laboratorio.

Apertura de una grieta cerca de la interfaz muro-cimiento, producto de la acción sísmica simulada en un muro delgado, durante una prueba de laboratorio.

Las edificaciones de muros delgados y esbeltos de concreto reforzado se usan masivamente en Colombia, principalmente en viviendas para estratos bajos y medios, y algunas veces en altos".

El estudio
Para estudiar las características del sistema en Colombia, el CEER construyó una base de datos a partir de un trabajo de campo con cuatro comisiones de ingenieros por cada ciudad. También se acudió a las curadurías urbanas para solicitar los planos estructurales de cada edificio y a oficinas de consultoría que proporcionaron información de forma confidencial. Luego de ser clasificados de acuerdo con su altura, se evidenció que el 90 % de los edificios de la base de datos están localizados en una zona de amenaza sísmica alta y que los más comunes corresponden a los que tienen 5, 8 y 10 pisos.

Un componente estudiado fue la esbeltez, que relaciona la altura libre entre pisos y el espesor del muro, e impacta directamente la estabilidad del elemento. En el NSR-10 no se establece un límite para la relación de esbeltez; sin embargo, con base en las investigaciones recientes se recomienda como límite superior un valor de esbeltez de 16. Para el caso de Colombia, con las alturas entre pisos típicas, esto representa un espesor mínimo de muros estructurales de aproximadamente 15 cm. En la muestra estudiada de edificios, el valor medio de esbeltez se encuentra entre 24 y 25. Tan solo el 7 % de los muros cumplen con el requerimiento del ACI-318-14 y más del 90 % tienen relaciones superiores a 16. Los altos niveles de esbeltez de los edificios en Colombia, expone la red, se deben al uso de espesores reducidos, pues la altura típica es casi que invariantemente 2,4 metros. Menos de la mitad de los muros analizados tuvieron espesores iguales o menores a 10 cm, y cerca del 85% tienen un espesor menor o igual a 15 cm.

Estos muros delgados de concreto son reforzados usualmente con mallas electrosoldadas de alambres de acero formado en frío, cuyo uso también ha sido estudiado desde hace más de tres décadas y ha demostrado una reducida capacidad de ductilidad (de deformarse de manera sostenible sin romperse), además de propiciar una pequeña capacidad de rotación de los muros.

“Estos muros delgados son altamente rígidos, pero esa rigidez está dada por elementos poco competentes, como la malla electrosoldada, de poca ductilidad, es decir, uno las estira y se rompen bajo poca deformación. La malla electrosoldada no es un material sismorresistente y está especificado, pero como ha habido gran presión por parte de los constructores por su facilidad de colocación, digamos que es un error que se ha vuelto el estándar”, puntualiza el profesor Carlos Arteta.

Propuesta normativa
A raíz de los estudios, el CEER generó en noviembre de 2019 una propuesta de cambio de código de construcción colombiano, que se espera sea evaluada por el Comité AIS-100 de la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica y la Comisión Asesora Permanente del Régimen de Construcciones Sismo Resistentes, con el fin de hacer más seguro el uso del sistema de muros delgados de concreto reforzado en el país.

Entre los aspectos tendientes a modificar, propone tipificar el “Sistema de Muros Delgados de Concreto Reforzado de Ductilidad Limitada” en la próxima versión del NSR, definiéndolo como “Edificaciones que se caracterizan por tener un sistema estructural donde la resistencia sísmica y de cargas de gravedad está dada por muros de concreto reforzado de espesores reducidos, entre 10 y 15 cm, en los que se prescinde de extremos confinados…”. En lo que respecta al dimensionamiento, diseño y detallado de los muros, se propone incorporar que los alambres de malla electrosoldada, con deformaciones de rotura menores o iguales al 3 %, podrán ser utilizadas como refuerzo principal para muros de carga en edificios de hasta 3 pisos solamente. En el caso de edificaciones con mayor número de niveles, este refuerzo se podría utilizar solamente en los muros localizados en el tercio superior de la altura de la edificación.

“Los ingenieros hemos sobrepasado el límite de buen comportamiento de estos edificios con muros delgados de concreto reforzado. Muchos tienen problemas bajo cargas gravitacionales y la gran incógnita es cómo se van a comportar bajo cargas sísmicas. Es parte de la incógnita que el CEER está respondiendo. La idea es aprovechar esta época que no ha habido terremotos para parar la creación de riesgo en favor de una catástrofe”, concluye Arteta.

El CEER presentó formalmente todas las recomendaciones para que fuesen analizadas por la comunidad de ingenieros que intervienen en la redacción de la próxima versión del NSR. Para finales de 2021, se espera que esté lista una nueva reglamentación.

Estos muros delgados son altamente rígidos, pero esa rigidez está dada por elementos poco competentes".

 

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